ATP (ADENOZIN TRIFOSFAT): ZGRADBA, FUNKCIJE, HIDROLIZA - BIOLOGIJA - 2026

ATP (adenozin trifosfat) je organska molekula z visoko energijo vezi, ki jih tvorijo obroč adenin, riboze in tri fosfatnih skupin. Ima temeljno vlogo pri presnovi, saj prenaša energijo, potrebno za učinkovito delovanje številnih celičnih procesov.

Splošno je znan po izrazu "energijska valuta", saj nastajanje in uporaba poteka enostavno, kar omogoča hitro plačilo za kemične reakcije, ki zahtevajo energijo.

Vir: Uporabnik: Mysid (Samodejno izdelan v bkchem; uredil v perl.), Prek Wikimedia Commons

Čeprav je molekula s prostim očesom majhna in preprosta, v svojih vezah shrani veliko energije. Fosfatne skupine imajo negativne naboje, ki so v nenehnem odbojnosti, zaradi česar je labilna vez, ki se zlahka poruši.

Hidroliza ATP je razpad molekule zaradi prisotnosti vode. S tem postopkom se sprošča zadržana energija.

Obstajata dva glavna vira ATP: fosforilacija na ravni substrata in oksidativno fosforilacija, pri čemer je zadnja najpomembnejša in jo celica najbolj uporablja.

Oksidativna fosforilacija povezuje oksidacijo FADH ₂ in NADH + H ⁺ v mitohondrijah, fosforilacija na ravni substrata pa zunaj transportne verige elektronov na poti, kot sta glikoliza in cikel trikarboksilne kisline.

Ta molekula je odgovorna za zagotavljanje energije, potrebne za večino procesov, ki se odvijajo znotraj celice, od sinteze beljakovin do lokomocije. Poleg tega omogoča promet molekul skozi membrane in deluje pri celični signalizaciji.

Struktura

ATP, kot pove že njegovo ime, je nukleotid s tremi fosfati. Zaradi svoje posebne strukture, zlasti dveh pirofosfatnih vezi, je energija bogata s spojino. Sestavljen je iz naslednjih elementov:

- Dušikova baza, adenin. Dušikove baze so ciklične spojine, ki v svoji strukturi vsebujejo eno ali več dušika. Najdemo jih tudi kot komponente v nukleinskih kislinah, DNK in RNK.

- Riboza se nahaja v središču molekule. Gre za sladkor pentoze, saj ima pet atomov ogljika. Njegova kemijska formula je C ₅ H ₁₀ O ₅ . Ogljik 1 riboze je vezan na adeninski obroč.

- Tri fosfatni radikali. Zadnja dva sta "visokoenergijski vezi" in sta v grafičnih strukturah predstavljena s simbolom nagiba: ~. Fosfatna skupina je ena najpomembnejših v bioloških sistemih. Tri skupine imenujemo alfa, beta in gama, od najbližjih do najbolj oddaljenih.

Ta povezava je zelo labilna, zato se hitro, enostavno in spontano razdeli, kadar to zahtevajo fiziološka stanja telesa. Do tega pride, ker se negativni naboji treh fosfatnih skupin nenehno poskušajo odmakniti drug od drugega.

Lastnosti

ATP igra nepogrešljivo vlogo pri energijski presnovi skoraj vseh živih organizmov. Zaradi tega ga pogosto označujejo kot energetsko valuto, saj ga je mogoče nenehno porabiti in napolniti v samo nekaj minutah.

Neposredno ali posredno ATP poleg tega, da deluje kot darovalec fosfata, zagotavlja energijo za stotine procesov.

Na splošno ATP deluje kot signalna molekula v procesih, ki se dogajajo znotraj celice, potrebno je sintetizirati sestavne dele DNK in RNK, za sintezo drugih biomolekul pa sodeluje pri trgovanju skozi med drugim tudi membrane.

Uporaba ATP lahko razdelimo na glavne kategorije: transport molekul skozi biološke membrane, sinteza različnih spojin in na koncu mehanično delo.

Funkcije ATP so zelo široke. Poleg tega je vpletena v toliko reakcij, da bi jih bilo nemogoče vse poimenovati. Zato bomo razpravljali o treh konkretnih primerih za ponazoritev vsake od treh omenjenih uporab.

Dobava energije za transport natrija in kalija skozi membrano

Celica je zelo dinamično okolje, ki zahteva vzdrževanje določenih koncentracij. Večina molekul ne vstopi v celico naključno ali po naključju. Da lahko molekula ali snov vstopi, mora to storiti njen specifični transporter.

Prenašalci so beljakovine, ki se raztezajo na membrani, ki delujejo kot "vratari" celic in nadzorujejo pretok materiala. Zato je membrana polprepustna: nekaterim spojinam omogoča vstop, drugim pa ne.

Eden najbolj znanih prevozov je natrijeva-kalijeva črpalka. Ta mehanizem je razvrščen kot aktivni transport, saj se gibanje ionov odvija proti njihovim koncentracijam in edini način za izvedbo tega gibanja je z vnosom energije v sistem, v obliki ATP.

Ocenjuje se, da se tretjina ATP-ja, ki je tvorjen v celici, uporablja za ohranjanje črpalke aktivno. Natrijevi ioni se nenehno črpajo iz celice, kalijevi ioni pa se črpajo v obratni smeri.

Logično je, da uporaba ATP ni omejena na prevoz natrija in kalija. Obstajajo tudi drugi ioni, na primer kalcij, magnezij, ki potrebujejo to energijsko valuto za vstop.

Sodelovanje v sintezi beljakovin

Proteinske molekule so sestavljene iz aminokislin, ki jih povezujejo peptidne vezi. Za njihovo oblikovanje je potrebno pretrganje štirih visokoenergijskih vezi. Z drugimi besedami, za tvorbo beljakovin povprečne dolžine je treba hidrolizirati veliko število ATP molekul.

Sinteza beljakovin poteka v strukturah, imenovanih ribosomi. Ti lahko razlagajo kodo, ki jo ima mesna RNA, in jo prevedejo v zaporedje aminokislin, ki je odvisen od ATP.

V najbolj aktivnih celicah lahko sinteza beljakovin usmeri do 75% ATP, sintetiziranega pri tem pomembnem delu.

Po drugi strani celica ne samo sintetizira beljakovine, ampak potrebuje tudi lipide, holesterol in druge bistvene snovi in ​​za to potrebuje energijo, ki jo vsebujejo vezi ATP.

Zagotovite si energijo za premikanje

Mehansko delo je ena najpomembnejših funkcij ATP. Na primer, da se naše telo lahko krči mišična vlakna, potrebuje razpoložljivost velikih količin energije.

V mišici se lahko kemična energija spremeni v mehansko energijo zahvaljujoč reorganizaciji beljakovin s kontrakcijsko zmogljivostjo, ki jo tvorijo. Dolžina teh struktur je spremenjena, skrajšana, kar ustvarja napetost, ki se prevede v generiranje gibanja.

Pri drugih organizmih se gibanje celic pojavi tudi zahvaljujoč prisotnosti ATP. Na primer, gibanje cilijev in flagella, ki omogoča izselitev nekaterih enoceličnih organizmov, se zgodi z uporabo ATP.

Drugo posebno gibanje je amebec, ki vključuje protruzijo psevdopa na celicah. Ta tip mehanizma za gibanje uporablja več vrst celic, vključno z levkociti in fibroblasti.

V primeru zarodnih celic je gibanje bistvenega pomena za učinkovit razvoj zarodka. Embrionalne celice potujejo pomembne razdalje od svojega izvora do območja, kjer morajo izvirati posebne strukture.

Hidroliza

Hidroliza ATP je reakcija, ki vključuje razpad molekule zaradi prisotnosti vode. Reakcija je predstavljena na naslednji način:

ATP + voda ⇋ ADP + P _i + energija. Kjer se izraz P _i nanaša na anorgansko fosfatno skupino, ADP pa adenozin-difosfat. Upoštevajte, da je reakcija reverzibilna.

Hidroliza ATP je pojav, ki vključuje sproščanje ogromne količine energije. Razpad katere koli pirofosfatne vezi povzroči sproščanje 7 kcal na mol - natančneje 7,3 iz ATP v ADP in 8,2 za proizvodnjo adenozin monofosfata (AMP) iz ATP. To pomeni 12.000 kalorij na mol ATP.

Zakaj pride do tega sproščanja energije?

Ker so produkti hidrolize veliko bolj stabilni kot začetna spojina, torej ATP.

Treba je omeniti, da samo hidroliza, ki nastane na pirofosfatnih vezavah, povzroči nastanek ADP ali AMP, povzroči nastanek energije v pomembnih količinah.

Hidroliza ostalih vezi v molekuli ne daje toliko energije, z izjemo hidrolize anorganskega pirofosfata, ki ima veliko energije.

Sprostitev energije iz teh reakcij se uporablja za izvajanje presnovnih reakcij znotraj celice, saj mnogi od teh procesov potrebujejo energijo za delovanje, tako v začetnih fazah razgradnih poti kot v biosintezi spojin. .

Na primer, pri presnovi glukoze začetni koraki vključujejo fosforilacijo molekule. V naslednjih korakih se ustvari nov ATP za pridobitev pozitivnega čistega dobička.

Z energijskega vidika obstajajo tudi druge molekule, katerih energija sproščanja je večja kot pri ATP, vključno z 1,3-bisfosfogliceratom, karbamilfosfatom, kreatinin-fosfatom in fosfoenolpiruvatom.

Pridobitev ATP

ATP je mogoče dobiti na dva načina: oksidativno fosforilacijo in fosforilacijo na ravni substrata. Prvi potrebuje kisik, drugi pa ne. Približno 95% nastalega ATP se zgodi v mitohondrijih.

Oksidativna fosforilacija

Oksidativna fosforilacija vključuje dvofazni proces oksidacije hranil: pridobivanje reduciranih koencimov NADH in FADH _2, pridobljenih iz vitaminov.

Zmanjšanje teh molekul zahteva uporabo vodikov iz hranil. V maščobah je proizvodnja koencimov izjemna, zahvaljujoč ogromni količini vodikov, ki jih imajo v svoji strukturi, v primerjavi s peptidi ali ogljikovimi hidrati.

Čeprav obstaja več poti proizvodnje koencimov, je najpomembnejša pot Krebsov cikel. Nato se reducirani koencimi koncentrirajo v dihalnih verigah, ki se nahajajo v mitohondrijih, ki elektrone prenašajo na kisik.

Elektronsko transportno verigo sestavlja niz beljakovin, vezanih na membrano, ki protone (H +) črpajo navzven (glej sliko). Ti protoni ponovno vstopijo in preidejo membrano s pomočjo drugega proteina, ATP sintaze, ki je odgovoren za sintezo ATP.

Z drugimi besedami, moramo zmanjšati koencime, več ADP in kisika ustvarjata voda in ATP.

Vir: Bustamante Yess, iz Wikimedia Commons

Fosforilacija na ravni substrata

Fosforilacija na ravni substrata ni tako pomembna kot zgoraj opisani mehanizem in ker ne potrebuje molekul kisika, je pogosto povezana s fermentacijo. Čeprav je zelo hiter, pridobiva malo energije, če ga primerjamo z oksidacijskim postopkom, bi bilo približno petnajstkrat manj.

V našem telesu se fermentacijski procesi odvijajo na mišični ravni. To tkivo lahko deluje brez kisika, zato je možno, da se molekula glukoze razgradi na mlečno kislino (ko na primer izvajamo kakšno izčrpno športno aktivnost).

V fermentacijah ima končni izdelek še vedno energijski potencial, ki ga je mogoče ekstrahirati. V primeru fermentacije v mišicah so ogljiki v mlečni kislini na isti ravni zmanjšanja kot tisti v začetni molekuli: glukoza.

Tako pride do proizvodnje energije s tvorbo molekul, ki imajo visokoenergijske vezi, vključno z 1,3-bisfosfogliratom in fosfoenolpiruvatom.

Na primer, pri glikolizi je hidroliza teh spojin povezana s proizvodnjo molekul ATP, od tod tudi izraz "na ravni substrata".

Cikel ATP

ATP ni nikoli shranjen. Je v neprekinjenem ciklu uporabe in sinteze. Tako nastane ravnotežje med tvorjenim ATP in njegovim hidroliziranim produktom ADP.

Vir: Avtor Muessig, iz Wikimedia Commons

Druge molekule energije

ATP ni edina molekula, sestavljena iz nukleozidnega bisfosfata, ki obstaja v celični presnovi. Obstaja več molekul s strukturo, podobnimi ATP, ki imajo primerljivo energijsko vedenje, čeprav niso tako priljubljene kot ATP.

Najbolj viden primer je GTP, gvanozin trifosfat, ki se uporablja v dobro poznanem Krebsovem ciklu in na glukoneogeni poti. Drugi, ki se manj uporabljajo, so CTP, TTP in UTP.

Reference

1. Guyton, AC, & Hall, JE (2000). Učbenik človeške fiziologije.
2. Hall, JE (2017). Guyton E Hall Traktat o medicinski fiziologiji. Elsevier Brazilija.
3. Hernandez, AGD (2010). Traktat o prehrani: Sestava in prehranska kakovost živil. Panamerican Medical Ed.
4. Lim, MY (2010). Osnove presnove in prehrane. Elsevier.
5. Pratt, CW in Kathleen, C. (2012). Biokemija. Uredništvo El Manual Moderno.
6. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (2007). Osnove biokemije. Uredništvo Médica Panaméricana.